西安交大郭保林教授《Natl. Sci. Rev.》：细菌响应程序化自激活抗菌水凝胶用于重塑伤口再生微环境以促进感染伤口愈合

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细菌感染会导致其周围的微环境发生巨大变化，这些变化包括细菌分泌酶的含量增加和酸性代谢物引起的微环境pH值降低。在应用抗生素条件下反复的细菌感染往往是产生耐药性的罪魁祸首，而传统的抗生素治疗无法有效破坏耐药细菌形成严重感染。因此，基于细菌感染伤口复杂的化学、物理和生物学特性，耐药细菌感染的抗生素治疗面临着重大挑战，迫切需要探索抑制耐药细菌感染的非抗生素治疗策略。生物刺激响应类材料可以通过改变自身的理化性质或化学键破坏从而释放杀菌成分来实现按需抗菌，因此在未来具有广阔的应用前景。具有自主刺激响应能力的材料可以及时应对伤口微环境的变化，最大限度地抑制感染。鉴于细菌感染的多因素特点，亟需开发能对细菌微环境变化做出反应的智能自激活按需抗菌伤口敷料，以实现自我诊断和治疗。

针对以上问题，西安交通大学前沿科学技术研究院郭保林教授团队创新设计了一种响应细菌代谢微环境变化的程序化自激活按需抗菌水凝胶（CAOP/M/PL），作为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染运动部位创面治疗的水凝胶敷料。该水凝胶由封装乳酸氧化酶（Lox）的pH/酶双重响应的三嵌段胶束（PPEL）、过氧化铜包裹的二硫化钼纳米酶（MSCO）以及精氨酸改性壳聚糖-苯硼酸修饰氧化葡聚糖水凝胶组成。CAOP/M/PL水凝胶具有理想的粘附性和自愈合性，能够适应运动部位创面的形变保持良好的贴合。基于PPEL的双响应特性，通过释放Lox，转化细菌产生的乳酸代谢物为H₂O₂，增强酸可裂解纳米酶MSCO的化学动力抗菌能力。同时，精氨酸在H₂O₂产生后通过自身氧化产生NO，进一步联合类过氧化物酶活性增强的化学动力抗菌策略，实现伤口感染的有效控制和细菌生物膜清除。在感染后增殖和重塑阶段，CAOP/M/PL水凝胶通过自调节的氧化应激缓解，平衡愈合过程引起的过度反应活性氧（ROS）水平，并通过加速血管再生促进创面微环境重塑。总之，CAOP/M/PL水凝胶通过感染控制、氧化应激缓解和促血管生成，有效改善MRSA感染伤口愈合速度和愈合质量。

图 1 细菌响应水凝胶CAOP/M/PL的制备及应用示意图。

图 2 CAOP/M/PL水凝胶及其组分的合成及表征。CAOP/M/PL水凝胶具有良好的自愈合性，可作为运动部位的物理屏障。

图 3 CAOP/M/PL水凝胶的刺激响应特性。CAOP/M/PL水凝胶通过pH或酶变化导致水凝胶自身理化性质发生改变，产生用于抗菌的氧自由基和一氧化氮，同时削弱抗氧化成分的防御潜力。

图 4 CAOP/M/PL水凝胶的刺激响应抗菌特性。CAOP/M/PL水凝胶表现出随pH降低而增强的抗菌效果。水凝胶通过静电力作用和硼酸酯键捕获游离细菌。CAOP/M/PL水凝胶通过增强的化学动力治疗几乎完全根除MRSA生物膜。

图 5 CAOP/M/PL水凝胶的抗氧化、促HUVEC细胞迁移和小管形成能力。水凝胶能够有效平衡增殖和重塑阶段伤口的过度氧化应激。水凝胶通过缓释铜离子促进HUVEC细胞的迁移和小管形成。

图 6 CAOP/M/PL水凝胶对MRSA感染运动创面的修复能力。CAOP/M/PL水凝胶在小鼠运动部位创面的修复中能够有效控制细菌感染，通过加速伤口上皮化、促进细胞迁移、改善血管及皮肤附属物形成以提高伤口愈合质量。

该研究为细菌响应型智能抗菌水凝胶的设计和应用提供了新思路，相关研究以“Bacterial responsive programmed self-activating antibacterial hydrogel to remodel regeneration microenvironment for infected wound healing”为题发表于《National Science Review》。西安交通大学前沿科学技术研究院博士研究生杨雨桐为本文的第一作者。西安交通大学前沿科学技术研究院郭保林教授为本文的通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwae044

郭保林课题组简介：

https://gr.xjtu.edu.cn/web/baoling/home

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